Untuk pertama kalinya, adalah memungkinkan untuk membuat struktur kompleks logam ukuran nano menggunakan pencetakan 3-D, berkat teknik baru yang dikembangkan di Caltech.
Prosesnya, setelah ditingkatkan, dapat digunakan dalam berbagai macam aplikasi, mulai dari pembuatan implan medis kecil hingga membuat sirkuit logika 3-D pada chip komputer hingga komponen pesawat terbang super ringan.
Ini juga membuka pintu untuk menciptakan kelas baru material dengan sifat tidak biasa yang didasarkan pada struktur internal mereka. Teknik ini dijelaskan dalam sebuah penelitian yang dipublikasikan di Nature Communications.
Dalam pencetakan 3-D -juga dikenal sebagai manufaktur aditif-sebuah objek dibangun lapis demi lapis, memungkinkan pembuatan struktur yang tidak mungkin diproduksi dengan metode subtraktif konvensional seperti etsa [proses dengan menggunakan asam kuat untuk mengikis bagian permukaan logam] atau penggilingan.
Ilmuwan material Caltech Julia Greer adalah pelopor dalam penciptaan arsitektur 3-D ulet yang dibangun melalui manufaktur aditif.
Misalnya, dia dan timnya telah membangun kisi 3-D dengan sebuah balok yang hanya berukuran nanometer [1 nanometer = 10-9 meter] -terlalu kecil untuk dilihat dengan mata telanjang. Bahan-bahan ini menunjukkan sifat yang tidak biasa dan mengejutkan; Tim Greer telah menciptakan keramik yang sangat ringan yang muncul kembali ke bentuk semula setelah dikompres, seperti sepon.
Kelompok Greer mencetak struktur 3-D dari berbagai bahan, dari keramik hingga senyawa organik. Logam, bagaimanapun, telah sulit untuk dicetak, terutama saat mencoba membuat struktur dengan dimensi lebih kecil dari sekitar 50 mikrometer [1 mikrometer = 10-6 meter], atau sekitar setengahnya dari lebar rambut manusia.
Cara kerja pencetakan 3-D pada skala nano adalah menggunakan laser presisi tinggi yang mengeluarkan cairan di lokasi spesifik material hanya dengan dua foton, atau partikel cahaya. Ini memberikan energi yang cukup untuk mengeraskan polimer cair menjadi padatan, namun tidak cukup untuk memadukan logam .
Dua-foton litografi digunakan untuk struktur cetak 3-D dari bahan cair, menciptakan ikatan kimia yang mengeras menjadi bahan padat. [credit : caltech]
“Logam tidak merespons cahaya dengan cara yang sama seperti resin polimer yang kita gunakan untuk pembuatan struktur pada skala nano,” kata Greer, profesor ilmu material, mekanik, dan teknik medis di Divisi Teknik dan Ilmu Terapan Caltech.
“Ada reaksi kimia yang dipicu saat cahaya berinteraksi dengan polimer yang memungkinkannya mengeras dan kemudian terbentuk menjadi bentuk tertentu. Dalam logam, proses ini pada dasarnya tidak mungkin untuk dilakukan.”
Mahasiswa pascasarjana Greer Andrey Vyatskikh datang dengan sebuah solusi. Dia menggunakan ligan organik – molekul yang terikat pada logam – untuk menciptakan resin yang mengandung sebagian besar polimer, tapi yang membawa serta logam yang bisa dicetak, seperti perancah.
Dalam percobaan yang dijelaskan di jurnal Nature Communications, Vyatskikh mengikat bersama-sama antara nikel dengan molekul organik untuk menciptakan cairan yang sangat mirip sirup obat batuk.
Pemodelan komputer menunjukkan bagaimana kisi kecil dicetak 3-D pada lapisan 150 nanometer. Bila strukturnya dipanaskan, bisa menyusut hingga 80 persen. [credit : caltech]
Sebagai tahap awal mereka merancang sebuah struktur dengan menggunakan perangkat lunak komputer, dan kemudian membangunnya dengan memberikan kejutan listrik cairan tersebut dengan laser dua foton. Laser menciptakan ikatan kimia yang lebih kuat antara molekul organik, mengeraskannya menjadi blok bangunan untuk struktur.
Karena molekul tersebut juga terikat pada atom nikel, nikel tersebut dimasukkan ke dalam struktur. Dengan cara ini, tim mampu mencetak struktur 3-D yang pada awalnya merupakan campuran ion logam dan molekul organik nonmetal .
Vyatskikh kemudian meletakkan strukturnya ke dalam oven yang perlahan memanaskannya hingga 1.000 derajat Celcius di ruang vakum. Suhu di bawah titik leleh nikel (1.455 derajat celcius ) namun cukup panas untuk menguapkan bahan organik dalam struktur, sehingga hanya menyisakan logam. Proses pemanasan, yang dikenal sebagai pirolisis, juga menyatukan partikel logam secara bersamaan.
Untuk menguji kekuatan struktur yang dihasilkan, Greer meremukkannya dan mencatat reaksinya. [credit : caltech]
Selain itu, karena proses menguapkan sejumlah besar bahan struktur, ukurannya menyusut hingga 80 persen, namun mempertahankan bentuk dan proporsinya.
“Penyusutan terakhir adalah bagian besar mengapa kita bisa membuat struktur menjadi begitu kecil,” kata Vyatskikh, penulis utama di jurnal Nature Communications. “Dalam struktur yang kami buat untuk tulisan tersebut, diameter balok logam pada bagian cetakan kira-kira 1/1000 ukuran ujung jarum jahit.”
Greer dan Vyatskikh masih memperbaiki teknik mereka; Saat ini, struktur yang dilaporkan di tulisan mereka mencakup beberapa rongga yang tertinggal yang disebabkan oleh bahan organik yang menguap serta beberapa kotoran kecil.
Selain itu, jika teknik ini bisa digunakan untuk industri, perlu ditingkatkan skala untuk menghasilkan bahan yang lebih banyak, kata Greer. Meskipun mereka mulai dengan nikel, mereka tertarik untuk memperluas ke logam lain yang umum digunakan di industri namun sulit untuk dibuat dalam bentuk kecil 3-D, seperti tungsten dan titanium.
Greer dan Vyatskikh juga ingin menggunakan proses ini untuk mencetak bahan cetak 3-D lainnya, keduanya umum dan eksotis, seperti keramik, semikonduktor, dan bahan piezoelektrik (bahan dengan efek listrik yang dihasilkan melalui tekanan mekanik).
